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- Herausgeber: Le Lys Bleu Éditions
- Kategorie: Fachliteratur
- Sprache: Französisch
- Veröffentlichungsjahr: 2024
"L’énergie éolienne – Cours, exercices et problèmes corrigés" est une ressource essentielle pour étudiants et professionnels en génie électrique, mécanique ou énergétique. Il explore le monde fascinant des aérogénérateurs, en mettant l’accent sur les convertisseurs électromécaniques et statiques. Enrichi de nombreux travaux pratiques et solutions détaillées, il vous offre les clés pour maîtriser les technologies de cette énergie renouvelable et les appliquer dans des situations concrètes et innovantes.
À PROPOS DE L'AUTEUR
À travers ses écrits,
Mohamed Ali Zeddini partage son expertise en proposant des programmes détaillés et structurés. Ses ouvrages couvrent une large gamme de sujets techniques et scientifiques, intégrant des théories, des applications pratiques et des études de cas.
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Ähnliche
Couverture
Page de titre
Mohamed Ali Zeddini
L’énergie éolienne
Cours, exercices
et problèmes corrigés
Essai
Copyright
© Lys Bleu Éditions – Mohamed Ali Zeddini
ISBN : 979-10-422-4394-4
Le code de la propriété intellectuelle n’autorisant aux termes des paragraphes 2 et 3 de l’article L.122-5, d’une part, que les copies ou reproductions strictement réservées à l’usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective et, d’autre part, sous réserve du nom de l’auteur et de la source, que les analyses et les courtes citations justifiées par le caractère critique, polémique, pédagogique, scientifique ou d’information, toute représentation ou reproduction intégrale ou partielle, faite sans le consentement de l’auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause, est illicite (article L.122-4). Cette représentation ou reproduction, par quelque procédé que ce soit, constituerait donc une contrefaçon sanctionnée par les articles L.335-2 et suivants du Code de la propriété intellectuelle.
À ma fille Rined, ma source infinie de joie et d’inspiration,
tu es la lumière qui éclaire chacune de mes journées.
À ma femme, compagne de vie exceptionnelle,
ton amour et ton soutien inébranlables sont le socle
sur lequel repose notre bonheur.
À ma mère, pilier de ma vie, tes sacrifices et ton amour
désintéressé ont tracé le chemin de ma propre existence.
Ce livre est dédié à chacune d’entre vous,
les femmes exceptionnelles qui colorent ma vie de bonheur,
d’amour et de sens. Vous êtes mes piliers, mes étoiles
et mes muses, et cette dédicace reflète l’immensité
de ma gratitude et de mon amour envers chacune de vous.
Préface
Cet ouvrage présente un cours détaillé avec des exercices et des problèmes corrigés sur l’énergie éolienne. Il s’adresse également aux élèves de licence fondamentale et ingénieurs en génie électrique, mécanique et énergétique qui souhaitent développer leurs connaissances dans ce sujet passionnant.
Le livre présente en premier lieu des explications sur le principe de base de ce type d’énergie ainsi que ses principales caractéristiques physiques et en deuxième lieu une étude fouinée sur la chaîne de conversion d’énergie électrique utilisant des aérogénérateurs à vitesses fixe et variables. Cependant, ce livre est divisé en quatre chapitres comme suit :
Le premier chapitre se focalise sur une présentation générale de l’énergie éolienne ainsi que ces principales caractéristiques. Le principe de la conversion de l’énergie cinétique du vent par une éolienne est également abordé et détaillé dans ce premier chapitre. Enfin, ce chapitre est achevé par la présentation des différents modes de réglage de la puissance mécanique à savoir, le système pich, le système stall et le système stall actif.
Le deuxième chapitre traite le sujet de la production et la modulation de l’énergie électrique produite par des aérogénérateurs. Cependant, une description détaillée sur le principe du fonctionnement des convertisseurs électromécaniques, notamment les Génératrices Synchrone (GS) et asynchrone (GAS) est abordé dans ce chapitre. Par la suite, on présente les différents convertisseurs statiques, à savoir les redresseurs à diodes, les redresseurs à thyristors et les onduleurs IGBT, utilisés pour la modulation de l’énergie électrique produite par les aérogénérateurs.
Le troisième chapitre fait l’objet d’une analyse approfondie de différentes topologies des aérogénérateurs utilisant la génératrice asynchrone. Ainsi, en respectant l’ordre chronologique de l’apparition de ces structures, on présente tout d’abord les aérogénérateurs à vitesse fixe utilisant une GAS à rotor à cage, par la suite les aérogénérateurs à vitesse variable utilisant une GAS à rotor à cage et bobinée pour finir par l’étude de la configuration utilisant une Génératrice Asynchrone Doublement Alimentée (GADA).
Le quatrième chapitre présente les corrections détaillées des différents exercices d’applications et problèmes abordés dans les chapitres précédents.
Chapitre I
Généralités et principales caractéristiques de l’énergie éolienne
1
Généralités et principales caractéristiques
de l’énergie éolienne
Caractéristiques du vent
Conversion de l’énergie cinétique
Réglage de la puissance mécanique
1.1. Introduction
L’énergie éolienne est, parmi les énergies renouvelables, celle qui connaît la croissance la plus rapide dans le monde. Elle est universellement reconnue comme une source d’énergie la plus prometteuse pour produire de l’électricité propre à court et à moyen terme, contribuant ainsi à la préservation de l’environnement. Ainsi, l’énergie éolienne fait partie des nouveaux moyens de production d’électricité décentralisée proposant une alternative viable à l’énergie fossile (Centrale thermique ou à cycle combiné) sans pour autant prétendre la remplacer (l’ordre de grandeur de la quantité d’énergie produite étant largement plus faible).
Les éoliennes utilisées pour la production d’électricité doivent permettre de produire un maximum de puissance en exploitant d’une manière rationnelle et intelligente l’énergie produite par le vent. C’est pour cela que de nombreux dispositifs de commande de l’éolienne, agissant au sur la partie mécanique et de la partie électrique de l’aérogénérateur, sont développés pour optimiser la conversion d’énergie du vent.
1.2. Généralités sur l’énergie éolienne
L’énergie éolienne est une énergie dite « renouvelable » (non dégradée), géographiquement diffusée, et surtout en corrélation saisonnière (l’énergie électrique est largement plus demandée en hiver et c’est souvent à cette période que la moyenne des vitesses des vents est la plus élevée). De plus, c’est une énergie qui ne produit aucun rejet atmosphérique ni radioactif.
Elle est toutefois aléatoire dans le temps et son captage reste assez complexe, nécessitant des mâts et des pales de grandes dimensions (jusqu’à 60 m pour des éoliennes de plusieurs mégawatts) dans des zones géographiquement dégagées pour éviter les phénomènes de turbulences.
1.2.1. Ressources du vent
Les vents proviennent essentiellement de toute une variation ou mouvement de masses d’air dans l’atmosphère. Ces mouvements d’air sont créés à grande échelle à cause des différences de chauffe de l’atmosphère terrestre due au rayonnement solaire. Cependant, l’énergie éolienne, comme l’hydraulique, est aussi une forme indirecte de l’énergie solaire.
D’ailleurs, le rayonnement solaire en chauffant la surface de la Terre, provoque une augmentation de la température et par conséquent la montée de l’air chaud et la décente des masses d’air froid créant ainsi un courant d’air le fait que l’énergie thermique n’est pas uniformément répartie dans l’atmosphère.
Figure 1.1. Principe de base de la création du vent
À l’échelle macroscopique, le soleil chauffe seulement une partie de la surface de la Terre au cours d’une période donnée à cause de la rotation de la Terre autour de son propre axe. Ainsi, la circulation de l’air est également inhibée par la terre relief, la répartition inégale des terres et de l’eau à la surface de la Terre, l’exposition inégale à la lumière dans différentes régions et d’autres facteurs qui entraînent des variations de la vitesse et de la direction du vent.
Cependant, comme le montre la figure 1.2, dans l’hémisphère nord, le vent tourne dans le sens contraire des aiguilles d’une montre autour des aires cycloniques et dans le sens direct autour des zones anticycloniques. Dans l’hémisphère sud, les sens sont inversés par rapport aux précédents.
Le vent est une sorte d’énergie variable, en continu. Il y a des changements en moyenne annuelle, d’une année à une autre, avec la saison, par une météorologie éphémère, sur une base journalière, ou même d’une seconde en seconde (cas de turbulence). Tous ces changements de diverses échelles de temps peuvent poser problème pour prédire la quantité d’énergie récupérable sur un site, en moyenne annuelle ou saisonnière.
Figure 1.2. Circulation du vent sur le globe terrestre
1.2.2. Caractéristiques du vent
La vitesse du vent est une grandeur essentielle pour caractériser un site donné. Il faut s’assurer donc que l’évolution de la vitesse du vent durant une période est adéquate ou non pour l’implantation des aérogénérateurs et la transformation de cette énergie en énergie électrique. Ainsi, des enregistrements de l’évolution de la vitesse du vent à long terme sont nécessaires pour la caractérisation du site étudié.
Cependant, les vitesses moyennes sont fournies à une certaine hauteur. Suivant la taille des machines que l’on désire installer, il faudra procéder à une extrapolation verticale de la vitesse moyenne de vent, ce qui dépend de la nature du terrain.
Le profil vertical d’une éolienne montée à une hauteur peut être modélisé par une loi empirique en puissance comme suit :
(1.1)
Où représente la vitesse moyenne mesurée à la hauteur , est le coefficient de rugosité, il est caractérisé par l’évolution verticale de la vitesse du vent : plus le site contient d’obstacles, plus il est important (entre 0,1 et 0,4). Cette loi n’est applicable que si l’on se trouve au-dessus d’une certaine hauteur (correspondant à l’épaisseur de la sous-couche turbulente) pour que les effets des irrégularités du sol sur l’écoulement soient perçus sous une forme moyenne.
La figure 1.3 montre ainsi un exemple de l’évolution de la vitesse du vent durant plusieurs périodes de l’année pour un site géographique donné.
Figure 1.3. Évolution de la vitesse du vent
pour différentes périodes de l’année
Pour des petites fréquences (événements se produisant en moins d’une seconde), on peut observer des différences très importantes des composantes du vent, caractéristiques de ce que l’on appelle la turbulence atmosphérique. Celles-ci sont très importantes pour le concepteur. En effet, les variations de charges aérodynamiques sur la pale, dues à la turbulence, peuvent par exemple être la source d’une fatigue de la structure. Les rafales et changements de direction se produisent sur plusieurs secondes ou minutes et sont mesurés par les anémomètres et girouettes installés sur la nacelle.
Une des caractéristiques principales du vent est sa direction. La rose du vent est ainsi l’outil le plus employé pour identifier la direction du vent d’un site donné tout en indiquant sa répartition durant une période donnée.
Cet outil représente un cercle découpé en différents secteurs (4, 8, 12.) et dont en plaçant les quatre points cardinaux (Nord, Sud, EST et Ouest). Par la suite les mesures effectuées régulièrement de la vitesse et la direction du vent durant une période de l’année (1 mois par exemple), seront placées dans ce cercle selon un angle qui indique la direction du vent et par une couleur qui indique ainsi la valeur de la vitesse du vent.
À titre indicatif, la figure 1.4 présente la rose du vent des relevés effectués durant un mois. Nous constatons ainsi que le vent dominant se trouve juste à du secteur sud. Il a été présent 6 jours et a atteint par 2 fois des vitesses supérieures à 8 m/s.
Figure. 1.4. Exemple d’une rose du vent
En fait, la vitesse du vent varie en permanence ce qui nécessite de connaître la force et la fréquence exactes du vent afin de prévoir la production de l’énergie éolienne d’un site. Ainsi, les valeurs obtenues par la mesure du vent par un anémomètre peuvent être réparties en différentes classes variant de 1 m/s, afin d’exprimer le potentiel énergétique du site étudié.
La distribution de Weibull est l’outil le plus employé pour avoir une bonne approximation de la distribution de la vitesse du vent en fonction de la fréquence des différentes classes de vitesse. Elle est donnée par :
(1.2)
est le facteur d’échelle de Weibull exprimé en m/s ; il permet d’exprimer la chronologie de la vitesse caractéristique. Il est généralement proche de la vitesse moyenne du vent.
est le facteur de forme de Weibull. Il donne la forme de la distribution et sa une valeur peut varier entre 1 à 3. Une valeur plus faible impliquerait un vent très variable alors qu’un vent constant impliquerait une valeur k plus élevée.
La figure 1.5 montre un exemple de la répartition de la vitesse du vent. On constate que les valeurs de la vitesse du vent comprise entre 2 m/s et 8 m/s sont les plus pondérant.
Les valeurs de la vitesse moyenne et de la puissance moyenne annuelle du site de cette distribution sont obtenues en utilisant la fonction gamma comme suit :
(1.3)
(1.4)
Figure 1.5. Exemple de la distribution de Weibull
1.2.3. Exercice d’application 1.1
Afin de bien choisir un site pour l’implantation d’un parc éolien, il est nécessaire d’effectuer tout d’abord une analyse statistique à partir de relevés pratiques de la vitesse du vent de ce site. Ces mesures sont données par le tableau suivant :
Vitesse du vent Vw(m/sec)
Fréquence F (%)
0 - 1 m/s
2.75
1 - 2 m/s
7.80
2 - 3 m/s
11.64
3 - 4 m/s
13.79
4 - 5 m/s
14.2
5 - 6 m/s
13.15
6 - 7 m/s
11.14
7 - 8 m/s
8.72
8 - 9 m/s
6.34
9 - 10 m/s
4.30
10 - 11 m/s
2.73
11 - 12 m/s
1.60
12 - 13 m/s
0.91
13 - 14 m/s
0.48
14 - 15 m/s
0.24
15 - 16 m/s
0.4
16 - 17 m/s
0.05
17 - 18 m/s
0.02
18 - 19 m/s
0.01
19 - 20 m/s
0
1.Représenter l’histogramme de cette série de mesure.
2.On veut modéliser cette série par la loi de Weibull :
3.Montrer que la fonction cumulative de la distribution de Weibull peut se mettre sous la forme :
(1.5)
(1.6)
4.Déterminer alors les paramètres caractéristiques (k et c) de cette distribution.
5.La puissance récupérable par l’éolienne en fonction de la vitesse du vent est donnée par :
6.On considère qu’un site d’implantation est bon lorsque le facteur de charge est proche de 24 %. Ce site étudié est-il un bon site ?
1.2.4. Les aérogénérateurs
La récupération de l’énergie cinétique du vent est assurée généralement par un aérogénérateur, plus communément appelé éolienne. C’est un dispositif qui transforme une partie de l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique disponible sur un arbre de transmission puis en énergie électrique par l’intermédiaire d’une génératrice accouplée mécaniquement sur l’arbre de l’éolienne.
Il existe deux grandes catégories d’éoliennes qui se distinguent les uns des autres par leurs conceptions mécaniques, c’est-à-dire suivant la disposition géométrique de l’arbre sur lequel est montée l’hélice (axe horizontal, axe vertical), par leurs chaînes de conversion électromécanique (génératrice et convertisseurs associés), et par leurs modes de fonctionnement (autonomes, raccordées au réseau).
